Sähköpolttoaineet: Valmistusmenetelmät, käyttökohteet ja resurssipohjainen tuotantopotentiaali Suomessa

Abstract

Sähköpolttoaineet tarjoavat vähähiilisen vaihtoehdon erityisesti sellaisiin liikenteen ja teollisuuden käyttökohteisiin, joissa suora sähköistäminen on vaikeaa. Niiden valmistus perustuu uusiutuvalla sähköllä tuotettuun vetyyn sekä polttoaineesta riippuen talteenotettuun hiilidioksidiin tai ilmasta erotettuun typpeen. Sähköpolttoaineiden laajamittaisen tuotannon toteutuminen riippuu kuitenkin tarvittavien syötteiden saatavuudesta.

Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan metanolin, metaanin, ammoniakin ja kerosiinin ominaisuuksia, käyttökohteita, valmistusmenetelmiä sekä niiden tuotannossa tarvittavia keskeisiä syötteitä. Lisäksi arvioidaan näiden sähköpolttoaineiden tuotantopotentiaalia Suomessa vedyn ja hiilidioksidin saatavuuden perusteella. Työ toteutettiin kirjallisuuskatsauksena ja reaktiostoikiometriaan perustuvana laskennallisena tarkasteluna. Vedyn saatavuutta kuvaavana lähtöarvona käytettiin arviota, jonka mukaan sähköpolttoaineiden valmistukseen olisi Suomessa vuonna 2030 käytettävissä 8…19 TWh vetyä vuodessa. Tämä vastaa noin 240…570 kilotonnin vuosittaista vetymäärää. Hiilidioksidin saatavuuden lähtöarvona käytettiin Suomen teollisuuden 45,3 miljoonan tonnin vuotuisia hiilidioksidipäästöjä.

Tarkastellut polttoaineet valmistetaan pääosin teollisuudessa tunnetuilla synteesimenetelmillä. Metanolia valmistetaan hiilidioksidin hydrauksella, metaania Sabatier-prosessilla, ammoniakkia Haber–Bosch-prosessilla ja kerosiinia käänteisen vesikaasun siirtoreaktion sekä Fischer–Tropsch-synteesin yhdistelmällä. Kaikkien tarkasteltujen polttoaineiden valmistuksessa tarvitaan vetyä. Metanolin, metaanin ja kerosiinin tuotanto edellyttää lisäksi hiilidioksidia, kun taas ammoniakin tuotannossa tarvitaan typpeä.

Vedyn saatavuuteen perustuvaksi stoikiometriseksi tuotantopotentiaaliksi saatiin metanolille 1,3…3,0 Mt/a, metaanille 0,48…1,1 Mt/a, ammoniakille 1,4…3,2 Mt/a ja kerosiinille 0,56…1,3 Mt/a. Hiilidioksidin saatavuuteen perustuvat tuotantopotentiaalit olivat metanolille 33 Mt/a, metaanille 17 Mt/a ja kerosiinille 14 Mt/a. Hiilidioksidiin perustuvat tuotantopotentiaalit olivat kaikilla hiilipohjaisilla polttoaineilla huomattavasti vedyn perusteella laskettuja arvoja suurempia.

Tulosten perusteella Suomen sähköpolttoaineiden tuotantopotentiaalia rajoittaa tarkastelluilla vuoden 2030 lähtöarvoilla ensisijaisesti uusiutuvalla sähköllä tuotetun vedyn saatavuus, ei teollisuuden hiilidioksidipäästöjen kokonaismäärä. Tulokset kuvaavat stoikiometrisiä enimmäispotentiaaleja, sillä laskennassa ei ole huomioitu prosessien muunnoshäviöitä, epätäydellisiä konversioita eikä hiilidioksidin talteenoton teknisiä ja taloudellisia rajoitteita. Polttoainekohtaiset tulokset ovat toisilleen vaihtoehtoisia, joten niitä ei voida laskea yhteen. Tuotantopotentiaalin tarkempi arviointi edellyttäisi todellisten prosessihyötysuhteiden, talteenotettavissa olevan hiilidioksidimäärän sekä käytettävissä olevien resurssien polttoainekohtaisen jakautumisen huomioimista.